【正文】 （2）對(duì)成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)：本系統(tǒng)采用三片式攝像物鏡系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，主要參數(shù)為：有效焦距 為 45mm，F(xiàn) 數(shù)為 4，全視場(chǎng)角為 8 ，采用 1/3 inch CCD 作為圖f ?像接受器件，像元尺寸為 ，系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)在 100lp/mm ?達(dá) 以上。通過(guò)查閱大量的相關(guān)資料，本文提出了一種測(cè)量方法基于光學(xué)成像原理，利用光學(xué)平板作為被測(cè)件，找到待測(cè)折射率與光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的位移量之間的關(guān)系，從原理上革新了測(cè)量折射率的方法，將傳統(tǒng)的折射率與角度的關(guān)系轉(zhuǎn)變?yōu)檎凵渎逝c位移量之間的關(guān)系，測(cè)量裝置體積小，非接觸測(cè)量，自動(dòng)化程度高，以成像光學(xué)系統(tǒng)和直線(xiàn)位移傳感器為測(cè)量核心，測(cè)量方法簡(jiǎn)便，有較高的實(shí)用性。39第六章 總結(jié)與展望折射率是晶體光學(xué)材料的一個(gè)基本參數(shù)，對(duì)它的研究是研究透明光學(xué)材料光學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)，是提高光學(xué)儀器質(zhì)量的前提，在光學(xué)測(cè)量領(lǐng)域有著非常重要的作用。同時(shí)對(duì)各個(gè)誤差進(jìn)行了認(rèn)真的分析計(jì)算得到具體結(jié)果，繼而對(duì)各個(gè)誤差合成并計(jì)算得到最后的誤差結(jié)果。通過(guò)上文對(duì)該測(cè)試系統(tǒng)可能出現(xiàn)各項(xiàng)誤差的詳細(xì)分析和計(jì)算，最終合成得到系統(tǒng)測(cè)量折射率的的標(biāo)準(zhǔn)偏差，即總體精度為 ，明顯滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，能夠達(dá)到設(shè)計(jì)期望。l折射率最大的標(biāo)準(zhǔn)偏差為 = 178。ldl??透明光學(xué)材料的折射率范圍為 —，根據(jù)公式（）可求得 nl1039。)(lnl????? ()2)39。?? 誤差合成上述幾種誤差等概率存在，誤差合成公式為（）： 221n????＝總（）由上述分析和計(jì)算可知：mm， mm， ， 01.????????432???＝總= ..＝ 6＝ ?由誤差傳遞公式（）可知，當(dāng)平行平板厚度被選定為 10mm 后，38 ()239。 平行平板引入誤差在本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，當(dāng)平行平板位于被放入系統(tǒng)的會(huì)聚光路中時(shí)，其作為被測(cè)件，其被測(cè)表面需垂直于光軸放置，若平行平板的表面有傾斜，會(huì)產(chǎn)生色差和象散，成像質(zhì)量變壞，影響測(cè)量精度。?此外，本文所選用的步進(jìn)電機(jī)、位移傳感器均采用的是高精度元件，其測(cè)量精度完全能保證系統(tǒng)的精度要求；而兩者的同步位置在軟件中可以補(bǔ)償，因此，該項(xiàng)誤差完全可以忽略。然而在本課題螺旋傳動(dòng)中，主要是依靠頂絲與凸輪筒螺旋副進(jìn)行傳動(dòng)，這樣基本就不存在螺距誤差和半角誤差，同時(shí)頂絲在螺旋副法線(xiàn)方向可調(diào)節(jié)，基本消除了中徑誤差。在螺旋副傳動(dòng)方面，螺旋副的傳動(dòng)精度主要由螺旋副螺母位置誤差決定。?? 傳動(dòng)誤差的影響該測(cè)試儀器的傳動(dòng)裝置主要包括齒輪傳動(dòng)和螺旋副傳動(dòng)。裝配誤差是裝配零件的積累誤差，經(jīng)過(guò)反復(fù)標(biāo)校，本測(cè)量系統(tǒng)的裝配總誤差在 之內(nèi)。即工具誤差mm。在本文的折射率檢測(cè)系統(tǒng)中，標(biāo)校裝置：可調(diào)夾持器的影響其檢測(cè)精度的一個(gè)重要工具。 系統(tǒng)調(diào)校誤差的影響由于測(cè)試儀器或工具的零部件在制造質(zhì)量上不可能達(dá)到設(shè)計(jì)理論值，或者結(jié)構(gòu)本身存在缺陷，就必然會(huì)引起設(shè)備調(diào)校過(guò)程中的不到位所造成的誤差。本課題所研究測(cè)試儀器由不同功能的多個(gè)分系統(tǒng)所組成，同時(shí)每個(gè)分系統(tǒng)又由多個(gè)零部件組合裝配而成，所以存在不可避免的誤差。通常情況下，隨機(jī)誤差都是以?xún)杀痘蛉兜木街嫡`差作為其允許值。隨機(jī)產(chǎn)生的誤差的正態(tài)分布如圖 所示。隨機(jī)誤差產(chǎn)生的因素有很多，所以必須對(duì)隨機(jī)誤差的影響重點(diǎn)討論。 隨機(jī)誤差是指在相同的測(cè)量條件下，多次對(duì)同一目標(biāo)進(jìn)行測(cè)量分析，其測(cè)量結(jié)果所出現(xiàn)的誤差不論是大小還是正負(fù)都沒(méi)有規(guī)律性，表現(xiàn)出一定偶然因素，但是對(duì)所測(cè)得的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，可以從中得知這些數(shù)據(jù)符合統(tǒng)計(jì)學(xué)中的規(guī)律。這類(lèi)誤差可以經(jīng)過(guò)多次測(cè)量而得到。 在相同條件的情況下，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行多次觀測(cè)，如果測(cè)量出現(xiàn)的誤差不論是大小還是正負(fù)都表現(xiàn)出了一定的系統(tǒng)性，或者是有一定的規(guī)律，而且每次都會(huì)出現(xiàn)，這樣的誤差被稱(chēng)為系統(tǒng)誤差。本章將針對(duì)該檢測(cè)儀器上不同來(lái)源的各種誤差進(jìn)行了精確分析，并進(jìn)一步計(jì)算得出誤差的修正范圍及要求，減小系統(tǒng)的各類(lèi)誤差，從而使得該測(cè)量?jī)x器能夠達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。在此系統(tǒng)中，只有保證系統(tǒng)內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)位置、位移傳感器位置、采集圖像位置的彼此間的高精度對(duì)應(yīng)關(guān)系，才能保證本文設(shè)計(jì)中所需要的精度。最后還介紹了位移傳感器的測(cè)量原理，并根據(jù)其主要選用原則選擇了適當(dāng)?shù)奈灰苽鞲衅?，使其能夠系統(tǒng)要求，它的量程可達(dá)到100mm，%。圖 系統(tǒng)位置信息檢測(cè)及電機(jī)運(yùn)行控制的具體實(shí)施方案 本章小結(jié)本章對(duì)基于位移傳感器的折射率測(cè)量系統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行認(rèn)真詳盡的設(shè)計(jì)，并介紹了其傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的工作原理，對(duì)各主要零機(jī)械部件進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算。如圖 所示為系統(tǒng)位置信息檢測(cè)及電機(jī)運(yùn)行控制的具體實(shí)施方案。圖 直線(xiàn)位移傳感器WYDC 位移傳感器的具體性能參數(shù)如表 42 所示?？紤]到以上幾個(gè)方面后，本文根據(jù)實(shí)際情況選用的是直線(xiàn)位移傳感器（LVDT） ，其是通過(guò)一次線(xiàn)圈與二次線(xiàn)圈產(chǎn)生弱電磁藕合，使得傳感器內(nèi)芯的位移變化量與輸出信號(hào)（電壓或電流）變化量之間線(xiàn)性關(guān)系。　 (6) 測(cè)量精度　　傳感器的精度是保證整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)精度的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是一個(gè)至關(guān)重要的性能33指標(biāo)。所以，為了使傳感器能夠長(zhǎng)期保持良好的穩(wěn)定性，就必須在選擇傳感器之前充分考慮其使用環(huán)境的具體情況，從而選擇相對(duì)更加適合的傳感器或者改善優(yōu)化傳感器的使用環(huán)境以減小影響。　　(5) 穩(wěn)定性　　傳感器在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后，依然能夠使其各項(xiàng)性能保持恒定，這種性能稱(chēng)為穩(wěn)定性。線(xiàn)性范圍越大，則傳感器的量程就越大，靈敏度雖較低但依然能夠保證較高的測(cè)量精度，對(duì)傳感器進(jìn)行選擇時(shí)，當(dāng)傳感器的類(lèi)型已經(jīng)確定以后就需要考慮其量程是否能夠滿(mǎn)足要求。在進(jìn)行被測(cè)量的動(dòng)態(tài)測(cè)量中，則應(yīng)該根據(jù)信號(hào)響應(yīng)的不同而進(jìn)行傳感器頻率響應(yīng)的選擇，以防止較大的誤差產(chǎn)生。其中，傳感器測(cè)量的頻率范圍又由其頻率響應(yīng)特性決定。(3) 頻率響應(yīng)　　一般情況下，傳感器的響應(yīng)都不可避免的存在一定的延遲，延遲時(shí)間越短越好。然而另一方面，當(dāng)傳感器的靈敏度較高時(shí)，與被測(cè)物理量無(wú)關(guān)的其他外界因素也會(huì)混入輸出信號(hào)，從而被傳感器內(nèi)部放大系統(tǒng)放大，對(duì)測(cè)量精度造成影響?！　?2) 測(cè)量靈敏度的選擇　　我們?cè)诳紤]傳感器的靈敏度這個(gè)指標(biāo)時(shí)，一般只要不超出測(cè)量的范圍，選用越高靈敏度的傳感器檢測(cè)精度就越高，從而測(cè)量結(jié)果也就更加的精確。在傳感器測(cè)量原理的選用方面一般需要考慮：傳感器的體積大小和量程。在傳感器的選用過(guò)程中上應(yīng)該遵循以下幾點(diǎn)原則：(1) 根據(jù)具體測(cè)量對(duì)象和實(shí)際測(cè)量環(huán)境選擇傳感器的類(lèi)型　　傳感器一般情況下都是作為各類(lèi)不同儀器設(shè)備的組件進(jìn)行測(cè)量工作的，所以首先應(yīng)當(dāng)根據(jù)具體的測(cè)量對(duì)象對(duì)傳感器的類(lèi)型進(jìn)行選擇；其次還應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同測(cè)量原理對(duì)32該類(lèi)傳感器進(jìn)行進(jìn)一步的選擇。選用不同的傳感器在對(duì)某個(gè)測(cè)量對(duì)象進(jìn)行某一項(xiàng)測(cè)量工作時(shí)，測(cè)量結(jié)果往往也會(huì)出現(xiàn)較大的不同。同時(shí)在光柵遮光作用的影響下莫爾條紋產(chǎn)生移動(dòng)，光強(qiáng)發(fā)生變化并通過(guò)固定在指示光柵旁邊的光電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生電信號(hào)，處理后就可以獲得所測(cè)得的位移量，光柵數(shù)字化轉(zhuǎn)換原理如圖 所示:圖 光柵信號(hào)的數(shù)字化 位移傳感器的選取傳感器的不同導(dǎo)致測(cè)量原理和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面也各不相同。在進(jìn)行位移量的測(cè)量時(shí)，需要將光源加在主光柵的旁邊，并將光電接受元件安裝在在指示光柵的旁邊。B由圖 (b)的三角關(guān)系可以知道： 2sin()??? ()這里 為兩光柵之間的夾角，由于 一般較小，所以公式()可簡(jiǎn)化為：?B?? ()公式()即光柵測(cè)量的基本方程。如圖 （a）所示。位移傳感器在精密測(cè)量系統(tǒng)中應(yīng)用非常廣泛，它的各項(xiàng)相關(guān)性能往往可以影響整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的精度。當(dāng)輸入電壓較高時(shí)，可根據(jù)需要每根信號(hào)線(xiàn)外串?K電阻進(jìn)行限流。在本課題所研究的折射率測(cè)量系統(tǒng)中，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要用來(lái)完成兩個(gè)功能：(1) 控制電機(jī)的換相； (2) 控制電機(jī)的速度。此外，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器還可以對(duì)電流實(shí)現(xiàn)快速的上升與下降，從而促使電流波形近似于矩形。這樣，每當(dāng)上位控制系統(tǒng)輸出一個(gè)頻率與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比的連續(xù)脈沖信號(hào)，驅(qū)動(dòng)器可以觸發(fā)步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)步距角。/176。如圖 所示為110BYG250A 步進(jìn)電機(jī)的實(shí)物圖。在位置和速度控制方面，步進(jìn)電機(jī)具有較高的精度、抗干擾能力和穩(wěn)定性的特點(diǎn)。另外，與傳統(tǒng)電機(jī)相比，步進(jìn)電機(jī)無(wú)需電刷，運(yùn)動(dòng)可靠性得到增強(qiáng)，所以它的壽命就只取決于電機(jī)內(nèi)部機(jī)械結(jié)構(gòu)的壽命。在正常工作情形下，電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速與制動(dòng)的位置均不受其負(fù)載的影響，僅僅取決于外部脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，即當(dāng)一個(gè)脈沖信號(hào)被電機(jī)所接收，就產(chǎn)生一個(gè)相應(yīng)的步距角。在本課題測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們選用步進(jìn)電機(jī)作為控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)元件。該產(chǎn)品具有位置控制和速度控制兩種控制模式，輸出脈沖頻率較高。 上 位 控 制 模 塊運(yùn)動(dòng)控制卡主要是利用大規(guī)?？删幊炭刂破骱透咝阅芪⑻幚砥?DSP，通過(guò) PC 總線(xiàn)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，并具有包括脈沖輸出、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字輸入、數(shù)字輸出、D/A輸出等功能，它可以發(fā)出連續(xù)的、高頻率的脈沖串，通過(guò)改變發(fā)出脈沖的頻率來(lái)控制電機(jī)的速度，改變發(fā)出脈沖的數(shù)量來(lái)控制電機(jī)的位置，它的脈沖輸出模式包括脈沖/方向、脈沖/脈沖方式。具備了課題所需的控制精度及響應(yīng)速度，在管理計(jì)算機(jī)上調(diào)試安裝后即可投入使用。由于對(duì)系統(tǒng)的測(cè)量精度和測(cè)量速度都有一定的要求，這就要求所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和高精度的控制能力，同時(shí)還需要有一個(gè)操作方便舒適、美觀實(shí)用的操作界面來(lái)配合，綜合各方面因素的考慮，本文采用運(yùn)動(dòng)控制卡來(lái)實(shí)現(xiàn)上位控制功能，它的高性能的微處理器（DSP）和大規(guī)模的可編程器件能實(shí)現(xiàn)對(duì)兩條運(yùn)動(dòng)鏈的精確協(xié)調(diào)控制。鏡筒外圓則加工有螺紋孔，主要用以安裝連接頂絲，從而使鏡筒在凸輪筒內(nèi)傳動(dòng)可靠，并能夠得到合適定位。其中螺旋槽的規(guī)格為寬 3mm，深 2mm，螺距為 20mm，其所使用的材料為 40 鋼。其外部邊緣加工有齒，與小齒輪嚙合并由其傳動(dòng)；內(nèi)部則加工有螺旋槽，以傳動(dòng)內(nèi)部鏡筒連同光學(xué)系統(tǒng)做直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)位移傳感器拉桿得到位移信號(hào)。通過(guò)上述系統(tǒng)的25協(xié)調(diào)配合，最終能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)被測(cè)件的高精度、高質(zhì)量檢測(cè)，達(dá)到我們的測(cè)量要求。這樣，位移傳感器的拉桿也就同步作直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，并能夠精確測(cè)量并采集整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)位移。凸輪筒與小齒輪之間嚙合，鏡筒 A與頂絲 A 螺紋連接，同時(shí)，凸輪筒與鏡筒 B 通過(guò)頂絲 B 連接，鏡筒 B 與位移傳感器的拉桿相連接。精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括凸輪筒與小齒輪的齒輪傳動(dòng)和凸輪筒與鏡筒 A 的螺旋傳動(dòng)。24第四章 精密機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 精密傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 精密機(jī)械傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)示意圖（1）凸輪筒；（2）外筒；（3）頂絲 A；（4）鏡筒 A；（5）鏡筒 B；（6）頂絲 B；（7）小齒輪；（8）步進(jìn)電機(jī)。在本章結(jié)尾部分還對(duì)該折射率測(cè)量系統(tǒng)被測(cè)件光學(xué)平板進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。 本章小結(jié)本章詳細(xì)闡述了系統(tǒng)的核心成像光學(xué)系統(tǒng)。在本文設(shè)計(jì)的測(cè)量系統(tǒng)中，需要從兩個(gè)方面來(lái)考慮：一方面，從儀器本身的精度考慮，系統(tǒng)的物與像之間的間隔必須大于位移傳感器的測(cè)量精度，它們之間的差值越大，光程差越多，從而平行平板越厚，測(cè)量也就越容易；另一方面，從平行平板的加工工藝考慮，平行平板越厚，越無(wú)法預(yù)知光學(xué)材料折射率的均勻性，對(duì)測(cè)量精度有一定影響。根據(jù)公式（）可知道，對(duì)于同一種光學(xué)材料， 與 成正比，所以使用該測(cè)量方39。ll（）根據(jù)上述公式（）與（）可知道： 與 成反比， 與 成反比，又dn?39。(ldn????（） 2)39。l??間后造成的物點(diǎn) A 虛物距變化的標(biāo)準(zhǔn)偏差， 為平行平板厚度的標(biāo)準(zhǔn)偏差。22 39。 所以說(shuō)，本系統(tǒng)的像差優(yōu)化結(jié)果是比較理想的，成像清晰，完全達(dá)到指標(biāo)要求。22圖 場(chǎng)曲和畸變 系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變圖如圖 所示，由于系統(tǒng)本身也能夠非常有效的消除畸變及場(chǎng)曲，可看到系統(tǒng)的場(chǎng)曲基本上控制在 %以?xún)?nèi)，畸變也能有效的控制在 %以?xún)?nèi)，從圖中的黑線(xiàn)可知，在物方 20176。圖 MTF 圖21圖 點(diǎn)列圖系統(tǒng)的點(diǎn)列圖見(jiàn) 所示，點(diǎn)列圖反映了物點(diǎn)通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)在像平面上的彌散斑的形狀和大小。如圖 所示，為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF) 曲線(xiàn)，橫坐標(biāo)為空間頻率，縱20坐標(biāo)為調(diào)制度，光學(xué)系統(tǒng)的成像性能所決定了這種函數(shù)的具體形式，因此光學(xué)傳遞函數(shù)（MTF 值）客觀地反映出光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。視場(chǎng)內(nèi) ＜3%； ZEMAX 仿真優(yōu)化為了能夠更好的校正像差，得到優(yōu)質(zhì)的圖像，達(dá)到我們的需求，根據(jù)上述技術(shù)指標(biāo)設(shè)計(jì)了一款基于位移傳感器的平行平板的折射率測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 所示：圖 光學(xué)系統(tǒng)二維結(jié)構(gòu)圖 攝像物鏡系統(tǒng)的工作長(zhǎng)度為 24mm, 系統(tǒng)內(nèi)光學(xué)玻璃材料要求其具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，能夠承受一定的負(fù)荷；具有較高的表面硬度，以便研磨和拋光；具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性，以適應(yīng)各種潮濕和腐蝕性的外界條件，并抵擋化學(xué)試劑及化學(xué)溶劑的侵蝕。?fD3）F 數(shù)： 0.39。（5）色差單色像差則主要體現(xiàn)在光組和物質(zhì)的幾何因素上，所以可不必考慮色差因素。o8??（4）畸變畸變指物體在成像的過(guò)程中，像差畸變的程度，在目視觀察系統(tǒng)中，其畸變?cè)试S值較大，一般在像面的邊緣允許值不超過(guò) 8%，由于人眼對(duì)中心